【行业动态】稀土原子“点石成晶”—南大-苏州实验室联合成果登上Science

10月23日，南京大学王欣然、李涛涛团队与苏州实验室合作，通过稀土元素对蓝宝石衬底表面修饰，在国际上率先突破6英寸二维过渡金属硫族化合物半导体（以下简称二维半导体）单晶量产化制备技术。相关成果以“Robust epitaxy of single-crystal transition-metal dichalcogenides on lanthanum-passivated sapphire”为题，发表于Science期刊。

二维半导体具有原子级厚度，能有效降低晶体管功耗，实现三维异质异构集成，是延续集成电路摩尔定律的首选材料。大尺寸单晶晶圆是集成电路规模化制造的基石，2021年，王欣然教授团队通过蓝宝石衬底斜切设计，首次报道了2英寸二维半导体单晶生长（Nat. Nanotechnol. 16, 1201-1206 (2021)），证明了大尺寸单晶的可能性。然而，实验室级别的化学气相沉积（CVD）技术在晶圆尺寸、重复性和均一性等方面难以满足产业需求，而金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术虽然具备均匀性和规模化优势，但只能生产多晶材料，无法满足高端元器件需求。形象地说，单晶就像高速公路，电子在上面可以快速通行；多晶不仅是小路，而且有很多红绿灯，电子没走几步就得减速、拐弯甚至堵车，器件性能自然欠佳。

图1 镧修饰的蓝宝石衬底上实现二维半导体单晶外延

蓝宝石是理想的产业化外延衬底，但由于高对称性，二维半导体存在多个等价方向，拼接时容易产生多晶。该研究的革命性突破在于团队开发的稀土原子表面修饰技术——在蓝宝石表面构建镧单原子层。虽然只有一个原子层的厚度，但是却打破蓝宝石表面固有的对称性，让二维半导体成核锁定在同一个方向上，确保了晶畴的单向排列进而长成单晶。该技术解决了长久以来二维半导体制备存在的重复性、稳定性以及工艺窗口狭窄等局限，适用于多种材料和多种工艺条件。正是这一创新，将普通的蓝宝石衬底“点石成晶”，从根本上解决了二维半导体单晶规模化制备的难题。

基于量产化的MOCVD技术和镧表面修饰的蓝宝石衬底，团队一举实现了6英寸二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钨（WSe2）和二硒化钼（MoSe2）等二维半导体单晶的普适制备。多种光谱和电学表征技术证实了优异的材料质量和均一性，MoS2和WSe2的平均迁移率分别高达110cm2·V-1·s-1和131cm2·V-1·s-1，单晶尺寸、器件性能同步刷新记录，实现大尺寸与高质量兼得。

该工作实现了二维半导体单晶从实验室技术到量产化技术、从单一材料到多种材料普适性制备的跨越，标志着二维半导体产业化迈出关键一步，为集成电路、显示、传感等领域的规模化应用奠定了材料基础。韩国科学技术院的Kibum Kang教授在Science发表评论文章，认为该工作“解决了二维半导体应用于产业最关键的问题”。

图2 6英寸二维半导体单晶晶圆系列

图3基于单晶MoS2的场效应晶体管阵列

该研究由南京大学与苏州实验室联合攻关完成。苏州实验室作为材料领域的国家战略科技力量，不仅汇聚跨学科的顶尖科研力量，为成果提供了核心理论支撑，而且为二维半导体单晶制备、表征与器件工艺提供了一流的平台保障。论文第一作者为南京大学—苏州实验室联合培养博士研究生邹茜璐、苏州实验室博士研究生赵圆圆和南京大学博士后范东旭。通讯作者为李涛涛副教授、丁峰研究员和王欣然教授。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省基础研究计划、姑苏创新创业领军人才等项目的资助，以及未来智能芯片交叉研究中心（雅辰基金）、新基石科学基金会科学探索奖、小米基金的支持。

来 源：中国稀土网北方招宝首批烧结钕铁硼永磁材料成功下线再获佳绩！稀土院两项目荣获自治区科学技术奖稀贝丝智纤发布会携核心成果擘画功能纺织新蓝图

(北方稀土)